计算机网络 —— 数据链路层(无线局域网)

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我们来看看无线局域网:

什么是无线局域网

无线局域网(Wireless Local Area Network,简称WLAN)是一种利用无线通信技术,在一定局部区域内建立的计算机网络。它使得网络中的设备,如个人电脑、智能手机、平板电脑、打印机等,能够在没有物理连线的情况下互相连接,并且可以访问互联网或者共享局域网内的资源。WLAN的核心优势在于其提供的移动性和灵活性,用户可以在覆盖范围内自由移动,同时保持网络连接。

无线局域网主要基于IEEE 802.11标准系列 ,这一系列标准定义了无线通信的技术规格,包括但不限于频率、速度、信号编码方法等。常见的Wi-Fi技术就是基于IEEE 802.11标准的Wi-Fi实质上是无线局域网的一个商标名称,由Wi-Fi联盟进行认证和推广。无线局域网的传输介质通常是无线电波,常用的频段有2.4 GHz和5 GHz,不过理论上WLAN还可以使用激光、红外线等其他无线传输技术。

无线局域网的应用场景非常广泛,包括但不限于家庭、办公室、学校、机场、咖啡馆、图书馆以及公共户外空间等,为用户提供便捷的网络接入服务。为了确保网络的安全性,WLAN通常会采用加密技术如WPA2或WPA3,以及身份验证机制来防止未经授权的访问。

IEEE 802.11

IEEE 802.11 是一组由电气和电子工程师协会(IEEE)制定的无线局域网(WLAN)标准,通常被称为Wi-Fi技术的基础。这一系列标准详细规定了无线网络通信的物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层的规范,从而确保了不同厂商生产的无线设备之间的互操作性。

主要标准及其特点:

  • 802.11: 最初的标准,发布于1997年,定义了基本的无线局域网技术。
  • 802.11a: 1999年发布,工作在5GHz频段,最大原始数据传输率为54Mbps,提供了比早期标准更高的数据速率和较少的干扰。
  • 802.11b: 同样发布于1999年,工作在2.4GHz频段,最大数据传输速率为11Mbps,因其成本较低而普及迅速。
  • 802.11g: 2003年发布,结合了802.11a的高速率和802.11b的兼容性,同样工作在2.4GHz频段,最大数据传输速率为54Mbps。
  • 802.11n: 2009年发布,引入了MIMO(多输入多输出)技术和更宽的频道带宽,工作在2.4GHz和5GHz频段,理论最大传输速率可达600Mbps,显著提高了无线网络的覆盖范围和吞吐量。
  • 802.11ac: 2013年发布,是第五代Wi-Fi标准,专注于5GHz频段,使用更宽的频道带宽(最高160MHz)、更多的MIMO空间流(最多8条),理论最大传输速率可达6.93Gbps,即Wi-Fi 5。
  • 802.11ax: 也称为Wi-Fi 6,发布于2021年,是对802.11ac的改进,引入了更高阶的调制技术(如1024-QAM)、正交频分多址(OFDMA)和多用户MIMO,工作在2.4GHz和5GHz频段,最大理论吞吐量达到9.6Gbps,优化了密集环境中的网络效率和性能。
  • 802.11be(Wi-Fi 7): 正在开发中,预计将是下一代Wi-Fi标准,将引入320MHz带宽、4096-QAM、多链路操作等技术,目标是提供高达23Gbps的吞吐量,进一步降低延迟,提高网络容量和效率。

这些标准随着时间的推移不断演进,旨在满足日益增长的无线网络速度、覆盖范围和设备连接密度的需求。

802.11的MAC帧样式

IEEE 802.11标准定义的MAC(Media Access Control,媒介访问控制)帧格式是用于无线局域网(WLAN)中数据传输的基础。MAC帧负责在物理层提供的传输媒介上组织和控制数据的交换。802.11 MAC帧具有一定的结构和组成元素,以确保数据的正确传输和网络的正常运作。以下是802.11 MAC帧的主要组成部分:

  1. 帧控制字段(Frame Control)(2字节):
  • 包含帧类型和帧控制信息,比如是否是有地址字段、是否使用保护机制、帧类型(管理帧、控制帧或数据帧)及其子类型。
  • 包括协议版本、类型、子类型、帧的To DS和From DS标志、More Fragments标志、Retry标志、Power Management标志、More Data标志、Protected Frame标志、Order标志等。
  1. Duration/ID字段(2字节):
  • 对于数据帧和控制帧,指示该帧及其确认帧所需的通道占用时间,以帮助其他站避免冲突。
  • 对于管理帧,该字段可能用作帧标识符(Sequence Control字段的一部分)。
  1. 地址字段(可变长度,通常为48位或6字节/字段,最多可有4个地址字段):
  • 地址1(Destination Address):帧的目的地址。
  • 地址2(Source Address):帧的源地址。
  • 地址3(BSSID/Receiver Address):在基础设施模式中代表接入点地址。
  • 地址4(Transmitter Address):仅在某些帧中出现,指出发送者的地址。
  1. Sequence Control字段(2字节):
  • 包含Sequence Number(序列号)和Fragment Number(片段号),用于帧的排序和重传控制。
  1. 可选字段
  • QoS Control(如果帧是QoS数据帧,则存在):用于QoS优先级和流量控制。
  • HT Control(对于支持802.11n或更高版本的帧,可能包含高级功能控制信息)。
  1. 帧体(Payload)
  • 实际传输的数据,可能是高层协议数据单元(如IP包)或管理/控制信息。
  1. 帧校验序列(FCS)
  • 通常4字节,使用CRC进行错误检测。


这些部分共同构成了802.11 MAC帧的基础结构,不同的帧类型(管理帧、控制帧、数据帧)可能包含不同的可选字段,并且在某些情况下地址字段的数量也会有所不同。例如,管理帧可能不会使用所有四个地址字段,而数据帧通常会使用全部或部分地址字段来指导数据的流向。

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